Le ROS et les antennes

Le rapport d'ondes stationnaires (ROS) est un indicateur du bon fonctionnement du système d'alimentation d'une antenne.
Il n'exprime pas les qualités de l'antenne proprement dite mais le fait que celle-ci peut être raccordée à un émetteur sans risque pour ce dernier.
Un rapport d'ondes stationnaires élevé a plusieurs inconvénients :
- surtension au niveau de l'émetteur avec risque de destruction de l'amplificateur de puissance, amorçages dans les CV...
- mauvais rendement de l'alimentation de l'antenne, l'émetteur ne pouvant débiter toute sa puissance. Les transceivers récents possèdent en outre pour la plupart un dispositif qui limite automatiquement la puissance d'émission en cas de ROS élevé ; un émetteur de 100 watts peut être limité à quelques watts.
- le radioamateur étant un expérimentateur soucieux de l'optimisation de sa station, il est tenté de considérer comme un échec un chiffre élevé pour le ROS de son antenne, son but est d'obtenir une valeur proche de 1 (1/1 ou "1 sur 1" comme il est courant de dire). La mesure du ROS est donc pour lui une occasion de déceler un problème à résoudre et lui fournit par conséquent matière à réflexion...

Onde directe, onde réfléchie, onde stationnaire

Supposons une ligne d'impédance caractéristique Zc=50 ohms alimentant une charge constituée d'une résistance pure de 25 ohms. Si la ligne est alimentée par un émetteur de 100 watts, une partie de l'onde directe véhiculant cette puissance sera réfléchie, l'autre partie étant absorbée par la charge.
L'onde directe correspond à une tension Ud et à une intensité Id qui dépendent de la puissance fournie par l'émetteur et de l'impédance de la ligne.
De même pour l'onde réfléchie : tension Ur et intensité Ir
Pour faciliter la compréhension du phénomène il arrive que l'on parle de puissance directe Pd et puissance réfléchie Pr. La puissance réfléchie serait celle fournie par la charge, ce qui est inhabituel... Ces puissances fictives peuvent être mesurées avec un wattmètre directionnel.
Onde directe et onde réfléchie se combinent et forment une onde stationnaire dont l'amplitude varie tout au long de la ligne, passant par des maxima (ventres) et des minima (noeuds) d'intensité et de tension :
Umax : maximum de tension (ventre de tension)
Umin : minimum de tension (noeud de tension)
Imax : maximum d'intensité (ventre de intensité)
Imin : minimum d'intensité (noeud de intensité)

Mise en évidence des ondes stationnaires

Une expérience simple permet de mettre en évidence les ondes stationnaires présentes sur une ligne. Une ligne de Lecher est alimentée à une extrémité par un générateur à fréquence variable et chargée à son autre extrémité par une résistance non réactive de puissance suffisante et de valeur réglable.
En faisant varier la résistance de la charge on peut mesurer les variations de l'amplitude mini Umin et maxi Umax de la tension entre les fils de la ligne.
Lorsque l'impédance Z de la charge est égale à l'impédance caractéristique de la ligne (ici 220 ohms) Umax=Umin et le ROS est égal à 1 (voir plus bas).


Coefficient de réflexion

Le coefficient de réflexion r est un rapport qui se calcule à partir des tensions ou des courants de l'onde directe et de l'onde réfléchie :

Et si l'on considère les notions de puissance de l'onde directe et de l'onde réfléchie :

On peut le calculer à partir de l'impédance complexe de la charge qui, dans le cas d'une antenne, est la plupart du temps réactive. L'impédance caractéristique de la ligne étant normalement résistive, on peut écrire Zc=Rc (50, 75, 300 ohms...)

Par exemple :
Une charge d'impédance Z=25-j30 est connectée sur une ligne 50 ohms. Le coefficient de réflexion est de 0,48 ce qui signifie que l'amplitude de l'onde réfléchie sera près de la moitié de celle de l'onde directe.

Le coefficient de réflexion est un vecteur (désigné généralement par la lettre G) dont on vient de voir le module r. Son argument est l'angle de déphasage q entre l'onde réfléchie et l'onde directe, il varie cycliquement tout au long de la ligne (voir angle du coefficient de réflexion dans la page consacrée à l'abaque de Smith) ; il est positif pour les points de la ligne où les réactances sont inductives et négatif là où la réactance est capacitive.

Calcul du ROS

Par définition le ROS est le rapport entre le maximum et le minimum de tension relevés sur la ligne au niveau d'un ventre de tension( idem pour les courants Imax et Imin), voir figure ci-dessus.

On peut aussi l'exprimer à partir du coefficient de réflexion :

Si la ligne est chargée par une résistance pure :

selon que l'impédance caractéristique Zc est plus grand ou plus petit que R, de façon à ce que le ROS soit exprimé par un nombre supérieur à 1.

Exemple de ROS :
a) dipôle demi-onde à la résonance Z=72 ohms alimenté par un câble 50 ohms :
coefficient de réflexion=0,18 et ROS=1,4
b) charge 50 sur un câble coaxial 50 ohms :
coefficient de réflexion=0 et ROS=1
c) antenne mal adaptée Za=25-j100 sur câble 50 ohms :
coefficient de réflexion=0,82 et ROS=10,4
Il existe plusieurs types de ROS-mètre adaptés à chaque utilisation.

Perte de puissance à cause du ROS

Le rapport de la puissance absorbée par la charge à la puissance directe fournie par l'émetteur peut être déterminé à l'aide de la formule suivante :

La courbe ci-contre montre que la baisse de puissance est insignifiante tant que le ROS ne dépasse pas 2 et reste acceptable pour un ROS de 3. La baisse de signal en dB par rapport à la pleine puissance est à peine visible chez le correspondant :
- ROS=1,5 : puissance non absorbée=4% (0,2dB)
- ROS=2 : puissance non absorbée=11% (0,5dB)
- ROS=3 : puissance non absorbée=25% (1,2dB)
Sur décamétriques, ou lorsque la liaison est confortable, perdre 1dB n'est pas un souci. Par contre, lorsque l'on chasse le décibel comme en trafic EME (par réflexion sur la Lune), un ROS de 2 est déjà inacceptable.

Cette perte de puissance, que l'on doit distinguer de la perte d'énergie due au courant plus élevé correspondant à l'onde réfléchie, peut être exprimée en décibels. On la désigne sous l'abréviation RL (pour "return loss") :

Exemple : avec un ROS de 3, un émetteur qui pourrait débiter 100 watts (dans une antenne bien adaptée) ne fournira que 75 watts.

Pertes dans la ligne

La présence d'ondes stationnaires implique des courants plus forts dans la ligne donc des pertes dans le câble plus élevées que lorsque le courant direct est seul présent. Ces pertes ne sont visibles que pour des grandes longueurs de câble et à des fréquences élevées, lorsque le ROS dépasse 2.

Amélioration du ROS

On a vu que l'utilisation d'une ligne de mauvaise qualité améliorait le chiffre mesuré du ROS. Ce n'est évidemment pas une solution. Le plus simple est d'adapter l'impédance de la charge et l'impédance spécifique de la ligne, soit en remplaçant la ligne, soit en agissant au niveau de l'antenne. Les moyens sont nombreux :
1) au niveau de la ligne : transformateur d'impédance (voir : baluns), stub, ligne quart d'onde...
2) au niveau de l'antenne : gamma-match, oméga-match...
Si un ROS élevé n'a que peu d'inconvénients sur le bilan de la liaison, il peut perturber fortement le fonctionnement de l'amplificateur de puissance en provoquant des pertes et des surtensions pouvant aller jusqu'à provoquer la mort des transistors, par exemple.

Le TOS ou taux d'Ondes Stationnaires

En tant que taux, le TOS s'exprime en %. Lorsque le ROS est égal à 1, le taux d'ondes stationnaires est égal à 0%. Un TOS de 100% correspond à un ROS infini. On obtient le TOS en multipliant par 100 le coefficient de réflexion r.
Exemple : à un ROS de 3, donc un coefficient de réflexion r de 0,5 le TOS est de 50%